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测试分析
复合材料层压板挤压强度
贾普荣矫桂琼
西北工业大学西安710072)
文摘通过对碳纤维复合材料层压板不同铺层方向的试件进行钉孔挤压强度试验,得出影响挤压强
度的主要因素,并建立了挤压强度估算公式。
关键词复合材料,挤压强度,试验
Bearing Strengths of Composite Laminates
Jia Purong Jiao Guiqiong
Northwestern Polytechnical University Xi'an 710072
Abstract Bearing strength ests have been carried out on car on fibre-reinforced epoxy aminates with if
ferent ply directions. The main factors affecting the bearing strength Have 'een deterrn ned. I he Estimating for
mula of bearing strength of composite laminates has been established
Key words Composites, Bearirg s rength, E periment
前言
挤压试件由T300/IDO3材料制成的层压板
复合材料层压板要通过机械连接形成承载结经机械加工成180mm×30mm的板条,如图1所示
构,机械连接件中的孔边因挤压应力大而易受损或
破坏。因此挤压问题在层压板机械连接设计中受到
重视,开展了广泛的实验研究和理论分析
复
合材料层压板钉孔挤压强度是复合材料结构设计的
重要指标。影响挤压强度的因素很多,如铺层方向
制造工艺、纤维含量、板厚等。铺层方向不同,各方
20
向纤维含量不同,则挤压强度会有显著差别。只有
30
通过不同种类的挤压试验,才能掌握挤压强度的变
化规律,为复合材料结构连接设计提供依据。
2实验
2.1试件
图1挤压试件
收日期:1996-12-22
宇航材料工艺1997年第3期
C1994-2009ChinaAcademicjournalelectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
表1试件分类及測试结果
组号
层数
Mpa
/Mipg
326
50
0,2
0.8
0
144
采用拉伸型挤压试件,两端钻有直径为5mm的
挤压孔,中间段钴有直径为8mn的连接孔。在常温
状态下对不同铺层方向和不同厚度的试件进行挤压
试验。各组试件的铺层情况列于表1中。0、土45、
90各方向的纤维含量比例分別用o、s、g表示,
且有
Wo t Has t yhe
2.2挤压试验
图2挤压破坏
为了研究铺层方向对层压板钉孔挤压强度的影
响,分组进行挤压试验。为挤压试验专『门配制了拉
伸型挤压夹具,并采用引伸计测量孔径变化。全部
试验是在 instron116型电子万能试验机上完成,加
载速度为1mm/min。用xーy记录仪绘制载荷P和
孔变形△的关系曲线,然后在P一△曲线上确定出
挤压破坏載荷。孔挤压破坏特征以及受载荷变形曲
线如图2和图3所示。
图3载荷一孔变形曲线
宇航材将工艺197年第3期
C1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
3测试结果
从測得的Pーム曲线上容易确定出挤压载荷。。/oo=必+1.23ys+0.57vw+0.53 0424s
最大挤压載荷Pm对应曲线上的最高点,条件挤压
0.93y45o+3.42 yo yo
载荷P。对应钉孔变形为4%时的载荷。挤压强度按
下列公式计算:
0m/oo=vot1.634s+0.62w+1.46oy4s+
条件挤压强度
1.15y45v+3.88oko
最大挤压强度=:m
d
式中,な为试样厚度;d为孔径
5讨论及结论
对于同一组试件,分别计算出每个试件的挤压
从复合材料T300TⅢO3的条件挤压强度和最
强度,然后取其平均值作为该组试件的挤压强度
大挤压强度测试结果可知,挤压强度不仅与纤维方
测得的。和am各组数值列于表1中。
向和各方向铺层比例有关,而且与层压板的厚度或
4挤压强度公式
总铺层数有关。士45°层压板比单向板的挤压强度
复合材料的重要特性就是强度随铺层方向变高,90单向板的挤压强度最低。混合铺层板的挤压
化,由不同方向纤维压制的层压板优于单向的层医强度表现出不同方向铺层之间的相互作用效果。层
板。对于混合铺层的层压板,层与层之间的相互作压板以士45°和°方向纤维为主时,可有较高的挤压
用使得强度超过单向板的线性分配结果。混合鏞?强度。层压板厚度对挤压强度的影响非常显著,薄
的层压板的强度中必然要包含耦合作用的效果。渡板比厚板的挤压强度低。从挤压破坏形式看出,孔
过大量的实验和理论分析,可得任意铺层的挤压边两側的纤维更容易被挤互屈幽使手载能力减小
度一般公式为
中同纤维要到同间的约泵不易爾曲,故能承受较大
db/ao=yo +k1 yas+k2 ggo k3 y4s t
的济玉载荷。较薄的板容易产严生挤压破坏,挤压强
度扁低。所以,复合材料结构设计中必须考虑厚度
4was yogo kesso yigu
对挤压强度的影响。不能将厚板的挤压强度结果用
式中:b表示一般挤强;o是层压板的挤压
于薄板连接设计中。
强度;k,是与铺层方向肖关的常数。式(3)既可表示
参考文献
条件挤压强度,以可表示最大挤压强度,在应用时要
1 Johnson M, Matthews FL Determination of safety fac
分别计算。由测定的条件挤压载荷确定出条件挤压
tors for use when designing bolted joints in grp.. Composites
强度。的公式,由测定的最大挤压載荷确定出最大197:173~76
挤压强度m的公式。从T300/HDO3层压板的挤压
2 Collings T A On the bearing strength of CFRP lami
试验结果可知,挤压强度与层压板的铺层数有关,即
nates Composites, 1982: 13(3): 241-2
挤压强度公式中的参数与板厚有关。根据测得的各
3 Zhang Kaida, Veng Charles E S Stresses around a pin
组挤压强度数值可求出待定常数。条件挤炷强度d。 loaded hole in orthotropic plates with arbitrary loading direction
和最大挤压强度σm的公式为:
Composite Structures, 1985; (3): 119